無線傳輸系統中低噪聲放大器的設計

余寧+馬令坤

摘 要：文章介紹了一種增益為30 dB的低噪聲無線傳輸系統低噪聲放大器設計方法。根據設計指標，應用安捷倫ADS仿真軟件對低噪聲放大器的參數進行仿真分析，然后進行放大器輸入輸出阻抗匹配，在優化放大器的增益和噪聲系數后，完成電路設計，同時文章還給出PCB板的設計結果。測試表明，該法設計的低噪聲放大器完全達到設計指標。

關鍵詞：低噪聲放大器；噪聲系數；增益；穩定性

1 無線傳輸

近年來，系統在各行業的應用越來越廣，為了適應這一市場需求，需要優化低噪聲放大器的設計方法，降低產品調試成本。傳統的低噪聲放大器輸入輸出匹配電路需要反復迭代、靈活性不高、后期電路調試復雜，產品一致性差。本文通過研究低噪聲放大器的設計理論，提出了一個簡單易行的低噪聲放大器設計方案，通過該方案可以最大限度地降低放大器的噪聲系數，提高放大器的穩定性，并且可以方便地在放大器增益、噪聲數和穩定性之間進行折中設計，設計的電路后期調試簡單、產品一致性高，與其他射頻部件級聯時不需要隔離器。完全能滿足無線傳輸系統的技術要求和批量生產。利用該設計方法設計的放大器已經成功進行批量生產。

2 低噪聲放大器的設計

本文設計的低噪聲放大器主要由輸入匹配網絡、晶體管放大器、輸出匹配網絡、偏置電路構成。

2.1 放大器的主要技術指標

（1）工作頻率：300～400 MHz；（2）增益：≥30 dB；（3）噪聲系數：≤1.2 dB；（4）端口駐波：≤1.5；（5）供電電壓：+5 VDC±0.5 V；（6）電流：≤ 80 mA。

2.2 放大器設計方案分析

由于設計指標要求的放大器增益要大于30 dB，所以設計中采用兩級放大晶體管進行設計，每級放大器單獨進行輸入輸出阻抗匹配，然后進行兩級放大器級聯。設計中選擇安華高的低噪聲放大器晶體管MGA-53543，該晶體管在300～400 MHz頻段內高達19 dB的增益和1dB的噪聲系數足以滿足本文中要設計的低噪放的指標要求。

2.2.1 MGA-53543的S參數和噪聲系數分析

根據MGA-53543的數據手冊采用內插法可以得到MGA-53543在350 MHz時的S參數：

S11=0.327∠-123，S21=9.471∠141.3，

S12=0.079 5∠13.3，S22=0.206∠-128.3

由上面的S參數可以得到Δ=S11S22-S12S21=0.729 1∠-21.6

采用外推法可以得到MGA-53543在350 MHz時：

NFmin（dB）=1.06，Γopt=0.108∠156.5，Rn=0.1

2.2.2 放大器穩定性分析

根據器件S參數可以得到MGA-53543在350 MHz時的穩定系數：

所以MGA-53543在350 MHz時是不穩定的，需要對輸入、輸出穩定圓進行判定。

（1）作輸入穩定圓。

圓心：

半徑：

（2）作輸出穩定圓。

圓心：

半徑：

（3）作器件在350MHz的噪聲系數圓。

圓心：

其中：

半徑：

當噪聲系數NF分別取：1.07 dB，1.2 dB，1.3 dB，1.4 dB，1.5 dB時，參數結果如表1所示。

如圖1所示，通過在Γ平面作輸入穩定圓、輸出穩定圓、1.2 dB，1.3 dB，1.4 dB，1.5 dB等噪聲系數圓、19 dB等增益圓發現在絕大部分情況下MGA-53543可以穩定工作，完全可以滿足設計要求。

為了獲得最低噪聲系數，令

則有：

為了使則要求

，

此時，輸入駐波比

輸出駐波比 ，資用功率增益：

3.2.3 放大器匹配電路和PCB版圖設計

（1）輸入、輸出阻抗變換電路的設計。輸入匹配網絡的設計就是把ΓS所對應的歸一化阻抗變換到1，輸出匹配網絡的設計就是把ΓL所對應的歸一化阻抗變換到1。

（2）具體設計的輸入、輸出阻抗變換電路如圖2所示。

3.3 測試結果

對本文設計的兩級級聯低噪聲放大器電裝以后，用噪聲儀和網絡分析儀進行指標測試。

4 結語

本文分析了用安華高公司的MGA-53543設計低噪聲放大器的詳細過程，在設計過程中通過使用ADS軟件對器件的圓圖進行仿真分析，找出器件噪聲系數、增益和穩定性之間的最佳設計參數，然后根據該參數通過ADS軟件進行輸入輸出匹配電路設計，使用該方法可以一次性完成輸入輸出匹配電路設計，解決了傳統設計方法反復迭代的問題。該方法簡單易行，完全適合低噪聲放大器的工程化設計。最終的測試結果表明該低噪聲放大器的性能指標完全滿足最初的設計要求。